反滲透法和全離子交換法除鹽技術(shù)初步比較

段志棟

(山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000)

反滲透法和全離子交換法除鹽技術(shù)初步比較

段志棟

(山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000)

在除鹽水的生產(chǎn)過程中，有多種除鹽技術(shù)可供選擇，經(jīng)過對(duì)反滲透法和全離子交換法除鹽技術(shù)的初步比較，認(rèn)為反滲透加離子混合交換器工藝較全離子交換法生產(chǎn)除鹽水工藝技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)可行。

除鹽技術(shù);反滲透;離子交換

1 除鹽水及除鹽技術(shù)

用各種處理工藝及設(shè)備，把水中的懸浮物、膠體、溶解物質(zhì)等除去，所制取的產(chǎn)品水，稱做除鹽水。用戶對(duì)水質(zhì)的要求不同，除鹽設(shè)備及工藝不同，相對(duì)產(chǎn)水成本將隨之變化。綜合考慮，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，各用戶對(duì)除鹽水中鹽的容忍度不一樣。水的純度越高，其中殘留物質(zhì)越少。實(shí)際生產(chǎn)中，由于用戶選擇水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不同，賦予除鹽水不同的稱呼。例如，蒸餾水是指CD(電導(dǎo)率)≤3 μS/cm(25 ℃)的水；一級(jí)除鹽水是指CD≤5 μS/cm(25 ℃)、SiO2≤100 μg/L的水；二級(jí)除鹽水是指CD≤0.2 μS/cm(25 ℃)、SiO2≤20 μg/L的水；高純水或超純水是指CD≤0.2 μS/cm(25 ℃)、Cu、Fe、Na質(zhì)量濃度小于3 μg/L的水。

水對(duì)鹽的容忍度越大，電阻值越小，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)，水中含鹽的多少直接體現(xiàn)水導(dǎo)電能力的大小。生產(chǎn)實(shí)踐中用電導(dǎo)率體現(xiàn)水的純度。電導(dǎo)率受水溫的影響較明顯，通常水溫上升1 ℃，電導(dǎo)率增大約2%，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或工藝設(shè)計(jì)產(chǎn)水水質(zhì)時(shí)要標(biāo)注對(duì)應(yīng)水溫下的電導(dǎo)率。25 ℃時(shí)純水電離的H+和OH-所產(chǎn)生的電導(dǎo)率為0.055 μS/cm，這也是除鹽水純度的理論極限。

各行業(yè)對(duì)除鹽水的稱呼和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)還存在一定差異。例如，有的行業(yè)將CD<0.1 μS/cm(25 ℃)、pH值為6.8～7.0及去除其他雜質(zhì)和微生物的水稱為高純水。在某些行業(yè)，除鹽水又稱純水、脫鹽水、無鹽水和純化水。我公司鍋爐及工藝用水稱為脫鹽水[1]。

以反滲透膜法首次應(yīng)用的時(shí)間為界，將其以前研究開發(fā)及應(yīng)用于實(shí)際的除鹽技術(shù)稱為傳統(tǒng)除鹽技術(shù)，之后的除鹽技術(shù)稱為新興除鹽技術(shù)。傳統(tǒng)除鹽技術(shù)成熟，應(yīng)用范圍廣，設(shè)計(jì)及工程經(jīng)驗(yàn)豐富，主要方法有冷凍法、離子交換法、電滲析法和蒸餾法等。但是，這些技術(shù)存在工藝操作繁瑣、現(xiàn)場(chǎng)管路復(fù)雜、設(shè)備檢修工作量大和酸堿廢水排放量多等特點(diǎn)，正逐步被新興除鹽技術(shù)所取代。新興除鹽技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制、現(xiàn)場(chǎng)布置合理、運(yùn)行維護(hù)便捷、對(duì)環(huán)境危害小，主要方法有反滲透法和電除鹽法。

2 反滲透(RO)法除鹽

反滲透(RO)法除鹽是一種新型膜分離除鹽技術(shù)，20世紀(jì)60年代研究成功并應(yīng)用于生產(chǎn)中。在壓力驅(qū)動(dòng)下溶液通過反滲透膜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溶液中的溶劑和溶質(zhì)分離的過程，稱反滲透(RO)法除鹽。

2.1 反滲透原理

在一定溫度下，用一張易透過水而難透過鹽的半透膜將淡水與鹽水隔開，如第65頁圖1所示。由于淡水的化學(xué)位高于溶液中水的化學(xué)位，從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，水分子會(huì)自動(dòng)地從化學(xué)位較高的左邊淡水室穿過半透膜向化學(xué)位較低的右邊鹽水室轉(zhuǎn)移，這一過程稱為滲透，如圖1a)所示。隨著左室中的水不斷進(jìn)入右室，右室含鹽濃度下降，加之右室水位升高和左室水位下降，導(dǎo)致右室水的化學(xué)位增加，直到與左室水的化學(xué)位相等，滲透停止，這時(shí)滲透達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖1b)所示。平衡時(shí)淡水液面和同一水平的鹽水液面所承受的壓力分別為P和P+ρgh，后者和前者之差(ρgh)稱為滲透壓差，用P1表示。這里，P表示大氣壓，ρ表示水的密度，g表示重力加速度，h表示兩室水位差。當(dāng)給溶液上施加大于滲透壓(P1)的壓力(P2)，溶液中的水將穿過半透膜進(jìn)到淡水邊，這種由于壓力驅(qū)動(dòng)下使?jié)B透現(xiàn)象逆轉(zhuǎn)的過程稱為反滲透，如圖1c)所示。鑒于反滲透膜選擇性地只透過溶劑(一般是水)的特性，反滲透就是克服滲透壓對(duì)溶液施加壓力，實(shí)現(xiàn)溶劑從溶液中透過半透膜(RO膜)而分離出來制得純?nèi)軇?水)的過程。

圖1 滲透與反滲透現(xiàn)象

2.2 反滲透除鹽的特點(diǎn)

1) 水與鹽分離的推動(dòng)力為壓力。

2) 對(duì)水源含鹽量要求范圍寬，處理含鹽量大致在300 mg/L以上的水源經(jīng)濟(jì)性更好，多應(yīng)用在飲用純凈水、醫(yī)用去離子水、電子級(jí)水和小于或等于5.29 MPa及以上鍋爐的補(bǔ)給水的制備。

3) 除鹽率一般為99%，介于電滲析和離子交換法之間，工業(yè)設(shè)計(jì)在離子交換法等深度除鹽之前，作為高含鹽量水源的初步除鹽，無法直接生產(chǎn)出超純水。

4) 藥品消耗少，不產(chǎn)生酸堿廢水。

5) 一般須持續(xù)排放一定量濃水。對(duì)于苦咸水和含鹽量不高的天然水，水的回收率一般為75%～85%。相對(duì)海水而言，水的回收率一般為30%～50%。

3 離子交換法除鹽

作為目前應(yīng)用較廣的傳統(tǒng)除鹽技術(shù)之一的離子交換法除鹽，起源于20世紀(jì)40年代。該技術(shù)的核心是利用了2類離子交換樹脂(簡(jiǎn)稱樹脂)，一類是陽離子交換樹脂(簡(jiǎn)稱陽樹脂)，另一類是陰離子交換樹脂(簡(jiǎn)稱陰樹脂)。工業(yè)上以合成樹脂應(yīng)用廣泛，其為高分子粒狀材料，樹脂內(nèi)含有大量能與水中離子起交換反應(yīng)的物質(zhì)(稱之為可交換離子)，陽樹脂中可交換離子是H+，陰樹脂中可交換離子為OH-。所以，鹽水依次通過陽樹脂層和陰樹脂層后，鹽水中的陽離子和陰離子依次交換成H+和OH-，H+與OH-進(jìn)一步結(jié)合成純水。受離子交換反應(yīng)平衡的制約，鹽水通過上述處理后，仍殘留少量鹽分。鹽水通過樹脂層，不斷地消耗掉樹脂中的H+和OH-，樹脂最終失去交換能力。通過再生可以恢復(fù)樹脂的交換能力，工業(yè)上用一定濃度的HCl或H2SO4水溶液與陽樹脂接觸，用一定濃度的NaOH水溶液與陰樹脂接觸，以恢復(fù)樹脂的活性(交換能力)。樹脂的可再生特性決定了它可以重復(fù)使用。

3.1 離子交換法除鹽的特點(diǎn)

1) 利用化學(xué)能來實(shí)現(xiàn)水與鹽分離，即依賴于離子交換反應(yīng)。

2) 通常用來處理含鹽質(zhì)量濃度低于500 mg/L的原水；含鹽量更高的水，用反滲透法除去95%以上鹽類后，再用離子交換法深度除鹽。

3) 是目前除鹽較徹底的水處理技術(shù)，除鹽率可達(dá)99.99%。因此，常作為生產(chǎn)純水、超純水、電子級(jí)水的終端除鹽技術(shù)。

4) 由于再生頻繁，產(chǎn)生較多的酸堿廢水。

5) 水回收率大約為90%。

6) 同電滲析技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了EDI技術(shù)。

4 反滲透加混床除鹽與全離子交換法除鹽技術(shù)比較

通過對(duì)部分脫鹽水裝置的分析，一般情況下，初步除鹽都采用新興的反滲透除鹽技術(shù)，深度除鹽選擇離子交換除鹽技術(shù)。第66頁表1列出了部分裝置采用的脫鹽水工藝。

4.1 2種除鹽工藝總體比較

規(guī)模相同的脫鹽水裝置，反滲透加混床除鹽較全離子交換法除鹽再生耗酸堿少、主要裝置占地面積少150 m2、噸水成本減少0.55元、出水水質(zhì)穩(wěn)定(詳見第66頁表2)。

4.2 部分運(yùn)行脫鹽水裝置比較

對(duì)2套脫鹽水裝置比較，反滲透加混床除鹽較全離子交換法除鹽占地面積少、噸水耗酸少1.061 kg、噸水耗堿少0.404 kg、噸水成本少1元(見表3)。

表1 部分單位脫鹽水工藝選擇情況

表2 2種除鹽工藝總體比較

表3 運(yùn)行脫鹽水裝置比較

4.3 工藝優(yōu)缺點(diǎn)

通過對(duì)2種除鹽工藝比較可看出，反滲透加混床除鹽工藝操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本相對(duì)較低、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置緊湊、占地面積小、環(huán)保性好(詳見表4)。

表4 2種除鹽工藝優(yōu)缺點(diǎn)

5 結(jié)束語

通過比較可以看出，反滲透加離子交換器(混床)較全離子交換法工藝生產(chǎn)除鹽水占地面積小、耗酸堿量少、再生廢水排量少、投資少，所以，反滲透法加離子交換器(混床)較全離子交換法生產(chǎn)除鹽水工藝技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)可行。

但是，反滲透除鹽裝置仍然存在如下問題：反滲透除鹽裝置水利用率低，一級(jí)反滲透水利用率75%，加濃水反滲透除鹽裝置水利用率最好能達(dá)到80%，污水生產(chǎn)脫鹽水反滲透裝置水利用率最好能達(dá)到70%。反滲透脫鹽工藝必有20%～30%的濃鹽水要排掉，國(guó)家目前對(duì)于濃鹽水排放指標(biāo)暫時(shí)沒有明確規(guī)定，濃鹽水排放必須滿足環(huán)評(píng)排放標(biāo)準(zhǔn)，隨著河流含鹽量的增加，濃鹽水的污染問題已引起國(guó)家相關(guān)部門高度重視。

為了減少排污，必須考慮濃鹽水的綜合利用。目前，濃鹽水的再利用有：1)鍋爐沖渣、造氣沖灰；2)濃鹽水采取蒸餾、結(jié)晶等工藝，最后制鹽。但此工藝投資高，特別是結(jié)晶出的鹽分離提純困難大,利用率低。

[1] 周本省.工業(yè)水處理[J].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

Preliminary comparison of desalination technology of reverse osmosis and total ion exchange

DUAN Zhidong

(Shanxi China Coal Pingshuo Energy Chemical Co., Ltd., Shuozhou Shanxi 036000, China)

In the process of desalinated water production, there are a variety of desalination technology to choose from. In this paper, through the preliminary comparison of reverse osmosis method and the total ion exchange method of desalination technology, it is believed that the reverse osmosis and ion exchange process is more reliable and economically viable than the whole ion exchange process.

desalination technology; reverse osmosis; ion exchange

2017-03-21

段志棟，男，1975年出生，畢業(yè)于北京化工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，工程師。研究方向：化工水處理。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.21

TQ085;TQ425

A

1004-7050(2017)04-0064-03

專題討論